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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
IAN MAURO CONCHA CHIA
SEGURANÇA EM UMA CÉLULA ROBOTIZADA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO
CURITIBA
2014
IAN MAURO CONCHA CHIA
SEGURANÇA EM UMA CÉLULA ROBOTIZADA
Monografia de conclusão do Curso de Especialização em Automação Industrial do Departamento Acadêmico de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Automação Industrial. Prof. Orientador M. Sc. Silvio Cezar Bortolini
CURITIBA 2014
RESUMO
CHIA, Ian M Concha. Segurança em uma Célula Robotizada. 2013. 53 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização em Automação Industrial) – Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2013.
Este trabalho apresenta um estudo a respeito dos requisitos de segurança em uma célula robótica com aplicação na operação de montagem em uma linha de produção, apresentando uma configuração de robô, principais tipos de dispositivos de segurança aplicáveis, dispositivos de monitoramento e conceitos de redes industriais de segurança. É proposta a classificação de risco e implementação de dispositivos de segurança que atendam à NR12, utilizando CLPs de segurança como dispositivo de monitoramento de sensores e equipamentos de segurança.
Palavras-chave: Célula robótica. NR12. CLP de segurança.
ABSTRACT
CHIA, Ian M Concha. Safety in a Robotic Workcell. 2013. 53 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização em Automação Industrial) – Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2013. This work presents a study regarding safety requirements in a robotic work cell applied in an assembling operation in an assembly line, introducing robot setup, main applicable safety devices, monitoring devices and concepts of safety industrial networks. It is proposed a safety category level and safety devices in order to comply with NR12, using Safety PLCs as safety monitoring device of safety sensors and equipments.
Key-words: Robotic work cell. NR12. Safety PLCs.
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 – Garras de vácuo......................................................................................... 15
Figura 02 – Garras de vácuo Venturi ............................................................................ 15
Figura 03 – Garras Magnéticas .................................................................................... 15
Figura 04 – Alcance sobre estruturas de proteção ....................................................... 18
Figura 05 – Análise de Risco ........................................................................................ 19
Figura 06 – Barreiras físicas e Cortina de Luz .............................................................. 21
Figura 07 – Tapetes de Segurança .............................................................................. 22
Figura 08 – Scanner de Área e Detecção por Zonas .................................................. 22
Figura 09 – Chaves de Parda de Emergência .............................................................. 23
Figura 10 – Arquitetura de CLPs de Segurança – Redundância de Hardware ............ 25
Figura 11 – Arquitetura de CLPs de Segurança – Auto teste de entradas ................... 25
Figura 12 – Arquitetura de CLPs de Segurança – Redundância de Processamento.... 26
Figura 13 – Camadas CIP – Safety Layers .................................................................. 30
Figura 14 – Roteamento de Dados de Segurança ....................................................... 30
Figura 15 – Layout de uma linha de montagem manual de portas ............................... 31
Figura 16 – Porta inferior de um produto a ser montado .............................................. 32
Figura 17 – Robô de 6 graus de liberade IRB 4400 ..................................................... 33
Figura 18 – Vista esquemática em corte longitudinal de um andar de um rack com slots
para inserção das portas .............................................................................................. 34
Figura 19 – Leitor de código de barras ......................................................................... 35
Figura 20 – Célula robótica com dispositivo de segurança .......................................... 36
Figura 21 – Chave sem contato MC1 com intertravamento de canal duplo Rockwell .. 37
Figura 22 – Determinação da categoria de segurança ................................................. 38
Figura 23 – Cálculo da distância de instalação de cortinas de luz ............................... 39
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CIP Protocolo Industrial Comum (Common Industrial Protocol)
CLP Contolador Lógico Programável
CLT Consolidação das Leis do Trabalho
ISO Organização Internacional para Padronização (International Organization for Standardization)
IFR Federação Internacional de Robótica (International Federations of Robotics)
NBR Normas Brasileiras
NR Normas Regulamentadoras
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 8
1.1 TEMA ....................................................................................................... 8
1.1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA ........................................................................ 9
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS .................................................................. 9
1.3 OBJETIVOS ........................................................................................... 10
1.3.1 Objetivo Geral .......................................................................................... 10
1.3.2 Objetivos Específicos ............................................................................... 10
1.4 JUSTIFICATIVA ..................................................................................... 11
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................... 12
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................... 12
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 13
2.1 INDÚSTRIA DE MANUFATURA, ROBÔS E MANIPULADORES .......... 13
2.1.1 Robôs e Manipuladores ............................................................................ 13
2.2 SEGURANÇA EM AMBIENTES DE TRABALHO COM MÁQUINAS ..... 16
2.2.1 NR12 ........................................................................................................ 16
2.2.2 Dispositivos de Proteção e Segurança ..................................................... 19
2.2.3 Barreiras Físicas ....................................................................................... 20
2.2.4 Cortinas de Luz ........................................................................................ 20
2.2.5 Tapetes de Segurança ............................................................................ 21
2.2.6 Scanner de Área (Laser Scanner) ............................................................ 22
2.2.7 Chaves de parada de emergência........................................................... 22
2.2.8 Chaves de intertravamento ...................................................................... 23
2.2.9 CLP de Segurança ................................................................................... 24
2.3 REDES DE SEGURANÇA ..................................................................... 28
2.3.1 Protocolo CIP e CIP Safety ...................................................................... 28
3 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ............................................................. 31
3.1 Robô para Montagem de Peças ............................................................... 31
3.2 Segurança em uma Célula Robótica para Montagem de Peças .............. 35
4 Conclusão .......................................................................................................... 42
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 43
ANEXO A – Linha de produtos GuardPLC – Rockwell. ............................................. 47
ANEXO B – Exemplos de CLP de segurança com módulos distribuídos. ................. 48
ANEXO C- Folha de Especificações Robô ABB4400 ................................................ 49
ANEXO D – Blocos lógicos do GuardPLC e Diagramas de Temporização ............... 50
8
1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo serão apresentados tema, delimitação do tema, problemas e
premissas, objetivos, justificativa e procedimento metodológico.
1.1 TEMA
A utilização de robôs é crescente nas indústrias de manufatura, em especial
verifica-se a presença predominante destes na indústria automobilística. Em 1998,
segundo dados da SOBRACON, existiam no Brasil 1800 robôs, sendo que 65%
destes estavam instalados na indústria automobilística (SOCIEDADE..., 1998). Nos
demais segmentos das indústrias de manufatura do Brasil, verifica-se que grande
parte das tarefas, são realizadas manualmente por operadores. Segundo dados de
2010 da Federação Internacional de Robótica (International Federation of Robotics –
IFR), em países como Coréia do Sul e Alemanha, a densidade de robôs (número de
robôs para cada 10.000 trabalhadores) era superior a 250 (INTERNATIONAL...,
2010 p. 69). Em contraste, países como o Brasil, apresentam densidades inferiores a
20. Com base nos dados da IFR, considera-se que o potencial de instalação de
robôs, ainda é imenso (INTERNATIONAL..., 2011). Devido à contínua busca pela
redução de custos, aumento na produtividade e preocupação com ergonomia, a
robotização de alguns processos se mostra como uma alternativa para atingir estes
objetivos (ABREU, 2002).
No entanto, a medida que cresce o número de tarefas automatizadas através
de máquinas, aumenta também a necessidade de investimentos na segurança e
proteção dos trabalhadores nestes ambientes de trabalho com a presença de
máquinas. A instalação de um robô implica em uma série de alterações em uma
linha de produção, tais como nos equipamentos para programação e sincronização
das operações, na comunicação entre equipamentos, e principalmente na instalação
de sensores, controladores e outros dispositivos de segurança na célula robótica.
A automação oferece vantagens do ponto de vista técnico: qualidade
uniforme permanente, velocidade de trabalho alta e constante; econômico: alta
produtividade, substituição do dispendioso trabalho feito pelo homem por máquinas;
e social: livrar a humanidade da responsabilidade de atividades sujas, monótonas,
difíceis ou perigosas (FESTO, 1993).
9
A quantificação dos riscos à segurança é usualmente difícil, porém a adoção
de medidas preventivas de segurança e o cumprimento das exigências normativas,
minimiza consideravelmente os riscos envolvidos. A legislação, especificamente a
NR12, prevê uma série de requisitos de modo a garantir a a saúde e integridade
física dos trabalhadores em ambientes onde há a utilização de máquinas. Neste
contexto de crescente expansão das tarefas automatizadas, é desejável a utilização
de sistemas de segurança que sejam flexíveis e facilmente expansíveis de acordo
com esta tendência de crescimento.
1.1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA
No presente trabalho será apresentada uma proposta de topologia de
segurança de uma célula robótica de acordo com a NR12, de modo a reduzir as
condições inseguras em ambientes de trabalho na presença de robôs industriais,
utilizando CLPs de segurança e outros dispositivos de segurança aplicáveis à
células robóticas de acordo com as exigências normativas vigentes. A aplicação
utilizada como exemplo, trata da automação de uma operação de montagem de
portas em uma linha de produção de refrigeradores, abordando aspectos de
funcionamento da linha, comunicação e sincronização dos equipamentos, além de
aspectos relacionados à utilização de protocolos de rede de segurança, CLPs de
segurança e suas vantagens em um ambiente industrial.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
Apesar da tendência de redução do custo de produção de componentes, seja
devido à utilização de novos materiais, à simplificação dos produtos, ou à utilização
de novos processos tecnológicos, o contrário tem vindo a ocorrer em relação à
montagem desses componentes para formarem os produtos finais. É normalmente
na montagem que está envolvida maior incorporação de trabalho manual. Neste
contexto, a automação de operações de montagem tem tido um crescimento
significativo, cabendo aos robôs um papel importante (ABREU, 2002).
Na linha de montagem estudada, as etapas de montagem de portas que
compõem os refrigeradores, são executadas por operadores, manualmente ou com
o auxílio de ferramentas de manipulação. No entanto, havendo variação nas
10
dimensões dos produtos, a operação de montagem pode tornar-se
ergonomicamente inviável, além de ser uma tarefa repetitiva.
Visando solucionar os problemas descritos, percebeu-se que uma alternativa
possível é a automação destas operações de montagem com a utilização de robôs.
Neste contexto, um problema identificado, decorrente da automação de operações
utilizando máquinas, refere-se à necessidade de estabelecer procedimentos
adequados para garantir a segurança e integridade dos operadores, de acordo com
as exigências normativas. Dentre as normas aplicáveis, a NR12, é disponibilizada
pelo Ministério do Trabalho, porém outras normas, como as normas da ABNT
(Associação Brasileira de Normas Técnicas), são pagas e devem ser adquiridas para
que se tenha conhecimento integral do seu conteúdo. Além disso, várias destas
normas referenciam outras normas, aumentando o número de informações e
dificultando a compreensão dos critérios adequados para atender às exigências
normativas.
1.3 OBJETIVOS
Nesta seção serão apresentados o objetivo geral e objetivos específicos.
1.3.1 Objetivo Geral
Apresentar uma topologia de segurança aplicáveis à uma célula robótica de
uma indústria de manufatura de acordo com a NR12.
1.3.2 Objetivos Específicos
Identificar os tipos de robôs e manipuladores adequados à operações de
montagem;
Identificar o nível de segurança requerido pela NR12;
Apresentar os tipos de dispositivos do sistema de segurança aplicáveis à uma
célula robótica de acordo com a NR12;
Propor uma estrutura de segurança de modo a garantir a segurança dos
operadores próximos à célula de trabalho robótica: grades, sensores,
atuadores, CLPs e CLPs de segurança.
11
1.4 JUSTIFICATIVA
O primeiro robô industrial surgiu em 1961, desenvolvido por Joseph
Engelberger, e seu princípio de funcionamento era hidráulico. Em 1974, a
companhia sueca ASEA desenvolveu o primeiro robô industrial totalmente elétrico
(ABB GROUP, 2005). Sua característica antropomórfica e o sistema de controle
microprocessado, estabeleceram novos padrões de dimensões compactas,
velocidades de movimento e precisão de posicionamento que possibilitaram novas
aplicações que antes não eram possíveis com as máquinas hidráulicas (ABB
GROUP, 2005 p. 69).
Atualmente existe um imenso potencial de crescimento na utilização de robôs
em processos industriais. A inserção de robôs traz benefícios, tais como aumento de
produtividade e redução de custos de mão de obra, porém ambientes robotizados
devem ser entendidos como partes de um sistema mais abrangente e sempre que
houver o compartilhamento de um ambiente de trabalho entre robôs e pessoas, não
há dúvidas de que a segurança é a maior prioridade.
A motivação deste trabalho deve-se à necessidade de adequação das áreas
em ambientes com a presença de robôs, de modo a garantir a proteção e segurança
dos trabalhadores, utilizando equipamentos devidamente certificados de acordo com
a categoria de segurança requerida. Além disso, a possibilidade de expansão e
automatização de outras tarefas torna desejável que os equipamentos de segurança
utilizados em um ambiente possam ser expandidos e aproveitados de modo a
atender os requisitos de segurança em futuras instalações de robôs e/ou máquinas.
12
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Este trabalho apresenta uma pesquisa de natureza aplicada, por ter objetivo
de solucionar um problema específico, atender às exigências normativas de
segurança humana em uma célula robótica utilizada na automação de uma
operação de montagem em uma linha de produção (GIL, 1994).
De acordo com Gil (1994), este trabalho tem sua pesquisa classificada como
descritiva e explicativa, por procurar estabelecer relações entre as variáveis e utilizar
técnicas de coleta de dados, e explicativa por procurar identificar os fatores que
determinam a ocorrência dos fenômenos.
Para atingir o objetivo do trabalho serão ainda necessárias pesquisas em
livros, artigos, manuais e catálogos a respeito de robôs, CLPs e demais
equipamentos periféricos presentes em células de manufatura. A partir destas
pesquisas será possível definir como estes equipamentos serão interconectados e
como será o princípio de funcionamento dos equipamentos de segurança.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho será composto de cinco capítulos. No capítulo 1, introdutório
deste trabalho, é estabelecido o tema principal, definido o problema e premissas,
bem como os objetivos do estudo, justificativa e cronograma de execução do projeto.
O capítulo 2 apresenta os fundamentos teóricos com os conceitos gerais de
robôs, requisitos de segurança NR12.
O capítulo 3 apresenta fundamentos acerca de redes industriais, principais
protocolos utilizados além de apresentar também conceitos de sistemas de
manufatura.
No capítulo 4, será proposta uma aplicação dos robôs na operação de
montagem apresentada no capítulo 3, conexão deste utilizando redes industriais e
equipamentos para operação segura da célula robótica.
As conclusões do trabalho são apresentadas no capítulo 5 e no capítulo 6 são
relacionadas a s referências utilizadas neste trabalho.
13
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 INDÚSTRIA DE MANUFATURA, ROBÔS E MANIPULADORES
Células flexíveis de manufatura permitem a fabricação de diferentes modelos
de produtos com características semelhantes em uma mesma linha de montagem,
de modo que a produção possa ser flexibilizada, por exemplo, ajustando a produção
de acordo com a demanda. No entanto, devido à complexidade envolvida em
identificar um grande número de partes diferentes, cada uma correspondente a um
modelo de produto, implica que geralmente as indústrias atribuem estas tarefas a
operadores, uma vez que, a realização destas tarefas por robôs, a princípio,
implicaria em uma operação mais demorada e envolveria custos maiores, devido aos
dispositivos necessários para reconhecimento e seleção de cada peça.
No exemplo deste trabalho, uma indústria de eletrodomésticos é capaz de
produzir diversos modelos de refrigeradores domésticos, simultaneamente, em uma
mesma linha de montagem. Cada um destes eletrodomésticos possui características
semelhantes, gabinetes internos plásticos, gabinetes externos metálicos, mesmo
número de portas, entre outras, mas cada modelo apresenta suas particularidades,
como volumes e dimensões diferentes. A operação de montagem descrita neste
trabalho, deve ser entendida como a junção de duas ou mais peças, tal que seja
formado um novo subproduto.
2.1.1 Robôs e Manipuladores
Robôs, de acordo com a Associação de Indústrias de Robôs dos Estados
Unidos (Robot Industries Association - RIA), são "manipuladores reprogramáveis e
multifuncionais, projetados para manipular materiais, peças, ferramentas ou
dispositivos especializados, através de movimentos variáveis programados para a
realização de tarefas diversas" (SPONG, 1989, p. 2).
Os robôs são classificados basicamente de acordo com a precisão,
velocidade e modo como se movimentam. A determinação do tipo de robô a ser
utilizado depende da finalidade do processo a ser automatizado.
Para operações de montagem, é necessário manipular, transportar, orientar e
posicionar os componentes, logo as principais características necessárias de um
robô são:
14
- alto grau de acuidade e repetibilidade no posicionamento do órgão terminal
ou garra;
- garras ou manipuladores que manipulação da peça sem danificar esta;
- movimento rápido do braço do robô.
Os principais elementos de um robô são o braço, punho, atuador/garra (end-
effector), controlador, e sensores. O braço está associado ao posicionamento (x, y,z)
do robô, o punho, associado à orientação (θ, Φ, Ψ) da garra . Estes dois
componentes são formados por partes rígidas, os elos, conectados através das
juntas, que por sua vez, podem ser prismáticas, caso o movimento entre os elos seja
linear; rotacionais, caso o movimento entre os elos seja rotacional; ou ainda
esféricas, caso o movimento seja uma combinação de três juntas rotacionais em um
mesmo ponto de rotação. O controlador é responsável por gerar as informações de
ativação de um ou mais atuadores e pode ser conectado com outros dispositivos de
controle externos, como CLPs. Os atuadores são dispositivos de conversão de
energia (motores, cilindros pneumáticos, etc), que impõem movimentos às partes
mecânicas. Os sensores são os elementos destinados à detecção do estado do
robô e do ambiente. Entre os tipos de sensores amplamente utilizados em robôs,
podem ser citados codificadores, fins-de-curso, sensores de força, sensores de
proximidade capacitivos e indutivos. (SANTOS, 2003)
Um parâmetro importante na definição de um robô, são os graus de liberdade.
Estes se referem ao número total de movimentos independentes que o dispositivo
pode realizar. Um objeto pode ser deslocado ao longo dos 3 eixos e também pode
ser rotacionado em torno de cada um deles, totalizando assim, 6 graus de liberdade.
Com base nos tipos de juntas e número de graus de liberdade, os robôs
podem são classificados entre cartesianos, cilíndricos, esféricos, articulador
horizontal (SCARA) e articulador vertical.
A garra (end-effector) é o componente conectado ao último elo do robô, que
tem como principal função, agarrar a peça a ser montada. Existem vários tipos de
garras, por exemplo, pinças, mãos antropomórficas ou ainda com funcionamento
magnético, ou a vácuo. Na operação de montagem deste caso, a superfície das
peças a serem transportadas e montadas é conformada em uma chapa de aço,
portanto garras de vácuo (vacuum grippers) ou eletromagnéticas são as mais
apropriadas para a aplicação.
15
As garras à vácuo são projetadas para prender a peça através da aplicação
de vácuo em ventosas de sucção, por meio da aplicação de ar comprimido. De modo
a reduzir os riscos devido à perda de vácuo em alguma garra, é recomendado a
utilização de duas ou mais ventosas associadas. As figuras 1 e 2 ilustram uma garra
à vácuo do tipo venturi.
Figura 1 – Garras de vácuo
Fonte: Argos Automação - piab
Figura 2 – Garras de vácuo Venturi
Fonte: http://www.roboticsbible.com/vacuum-grippers.html
As garras eletromagnéticas são utilizadas em objetos que podem ser
magnetizados (por exemplo, aço e níquel) através da aplicação de um campo
magnético. A figura 3 apresenta um tipo de garra magnética.
Figura 3 – Garras Magnéticas
Fonte: Robotics Bible, 2013
16
2.2 SEGURANÇA EM AMBIENTES DE TRABALHO COM MÁQUINAS
De modo a garantir a segurança em um sistema que envolva máquinas, ou
neste caso específico, robôs, o sistema deve contemplar, entre outros, dispositivos
de proteção, sistemas de parada segura e restrições operacionais em caso da
presença de pessoas nas áreas das máquinas. Segundo a norma regulamentadora
NR12 – Segurança no Trabalho em Máquinas e Equipamentos, consideram-se
dispositivos de segurança “os componentes que, por si só ou interligados ou
associados a proteções, reduzam os riscos de acidentes e de outros agravos à
saúde”.
A IEC 61508 é um padrão globalmente aceito e utilizado na implementação
de sistemas de segurança. Comumente fabricantes utilizam este documento como
base para o desenvolvimento dos seus sistemas relacionados com segurança.
2.2.1 NR12
A NR 12 é uma norma regulamentadora editada pelo Ministério do Trabalho e
Emprego, que fornece orientações sobre procedimentos obrigatórios relacionados à
segurança do trabalho quando na instalação, operação e manutenção de máquinas
e equipamentos. Sua existência legal é assegurada pelos artigos 184 a 186 da
Consolidação das Leis do Trabalho (CLT) e pela portaria nº 3214, de 08 de Junho de
1978, que aprova as NRs.
O conceito fundamental da NR12 é de que o homem, sem dispositivos de
segurança, não é apto a se proteger em seu meio de trabalho, portanto as máquinas
e equipamentos devem possuir estes dispositivos.
A partir da revisão de 2010 da NR12, trabalha-se com o conceito de falha
segura, ou seja, em caso de uma falha no sistema, este deve ir para uma situação
que não coloque em risco os usuários. Segundo a NR12, o princípio de falha segura
requer que um sistema entre em estado seguro, quando ocorrer falha de um
componente relevante à segurança. A principal pré-condição para a aplicação desse
princípio é a existência de um estado seguro em que o sistema pode ser projetado
para entrar nesse estado quando ocorrerem falhas.
17
A NR12 está estruturada em um corpo com 19 títulos, onde estão contidos os
princípios gerais de segurança para uso em todas as máquinas, e 65 páginas com
anexos apresentando princípios, definições e excepcionalidades especificas.
12.1. Esta Norma Regulamentadora e seus anexos definem referências técnicas, princípios fundamentais e medidas de proteção para garantir a saúde e a integridade física dos trabalhadores e estabelece requisitos mínimos para a prevenção de acidentes e doenças do trabalho nas fases de projeto e de utilização de máquinas e equipamentos de todos os tipos, e ainda à sua fabricação, importação, comercialização, exposição e cessão a qualquer título, em todas as atividades econômicas, sem prejuízo da observância do disposto nas demais Normas Regulamentadoras – NR aprovadas pela Portaria nº 3.214, de 8 de junho de 1978, nas normas técnicas oficiais e, na ausência ou omissão destas, nas normas internacionais aplicáveis.
Os anexos da NR12 estão divididos nos seguintes capítulos :
I – Distâncias de segurança e requisitos para o uso de detectores de
presença optoeletrônicos.
II – Conteúdo programático da capacitação.
III – Meios de acesso permanentes.
IV – Glossário.
V – Moto serras.
VI – Máquinas para panificação e confeitaria.
VII – Máquinas para açougue e mercearia.
VIII – Prensas e similares.
IX – Injetoras de materiais plásticos.
X – Máquinas para fabricação de calçados e afins.
XI – Máquinas e implementos para uso agrícola e florestal.
XII – Equipamentos de guindar para elevação de pessoas e realização de
trabalho em altura.
18
A figura 4 e a tabela 1, do anexo I da NR12, apresenta as distâncias de
segurança para impedir o acesso a zonas de perigo pelos membros superiores.
Figura 4 – Anexo I - Alcance sobre estruturas de proteção
Fonte: NBR 14153 (ASSOCIAÇÃO ..., 2013)
Altura da estrutura de proteção b1)
1000 1200 1400 2) 1600 1800 2000 2200 2400 2500 2700
Altura da zona de perigo a
Distância horizontal à zona de perigo "c" 27003
27003 - - - - - - - - - -
2600 900 800 700 600 600 500 400 300 100 -
2400 1100 1100 900 800 700 600 400 300 100 -
2200 1300 1200 1000 900 800 600 400 300 - -
2000 1400 1300 1100 900 800 600 400 - - -
1800 1500 1400 1100 900 800 600 - - - -
1600 1500 1400 1100 900 800 500 - - - -
1400 1500 1400 1100 900 800 - - - - -
1200 1500 1400 1100 900 700 - - - - -
1000 1500 1400 1100 800 - - - - - -
800 1500 1300 900 600 - - - - - -
600 1400 1300 800 - - - - - - -
400 1400 1200 400 - - - - - - -
200 1200 900 - - - - - - - -
0 1100 500 - - - - - - - - 1) Estruturas de proteção com altura inferior que 1000 mm (mil milímetros) não estão incluídas por não restringirem suficientemente o acesso do corpo. 2) Estruturas de proteção com altura menor que 1400 mm (mil e quatrocentos milímetros), não devem ser usadas sem medidas adicionais de segurança. 3) Para zonas de perigo com altura superior a 2700 mm (dois mil e setecentos milímetros) ver figura 2. Não devem ser feitas interpolações dos valores desse quadro; consequentemente quando os valores conhecidos de “a”, “b” ou “c” estiverem entre dois valores do quadro, os valores a serem utilizados serão os que propiciarem maior segurança
Tabela 1 – Alcance sobre estruturas de proteção (dimensões em mm)
Fonte: NBR 13852 (ASSOCIAÇÃO ..., 2003)
19
Na figura 5, é possível visualizar a análise de risco para classificação da
categoria de segurança requerida, levando em consideração a severidade do
ferimento, frequência de exposição ao risco e possibilidade de evitar o perigo.
Figura 5 – Análise de Risco,
Fonte: NBR 14153 – Anexo B
2.2.2 Dispositivos de Proteção e Segurança
Dispositivos de proteção são necessários em ambientes onde a operação de
máquinas representa riscos à segurança das pessoas que trabalham neste
ambiente. Para fins de aplicação da NR12, “consideram-se dispositivos de
segurança os componentes que, por si só ou interligados ou associados a
proteções, reduzam os riscos de acidentes e de outros agravos à saúde”. Um
dispositivo com finalidade de proteção e segurança atender aos requisitos previstos
na NR12:
12.38. As zonas de perigo das máquinas e equipamentos devem possuir
sistemas de segurança, caracterizados por proteções fixas, proteções
móveis e dispositivos de segurança interligados, que garantam proteção à
saúde e à integridade física dos trabalhadores.
12.39. Os sistemas de segurança devem ser selecionados e instalados de
modo a atender aos seguintes requisitos:
a) ter categoria de segurança conforme prévia análise de riscos prevista nas
normas técnicas oficiais vigentes;
20
b) estar sob a responsabilidade técnica de profissional legalmente
habilitado;
c) possuir conformidade técnica com o sistema de comando a que são
integrados;
d) instalação de modo que não possam ser neutralizados ou burlados;
e) manterem-se sob vigilância automática, ou seja, monitoramento, de
acordo com a categoria de segurança requerida, exceto para dispositivos de
segurança exclusivamente mecânicos; e
f) paralisação dos movimentos perigosos e demais riscos quando ocorrerem
falhas ou situações anormais de trabalho.
Os principais dispositivos utilizados são listados a seguir.
2.2.3 Barreiras Físicas
As barreiras visam estabelecer um obstáculo físico entre o operador do robô e
a área de risco. Dependendo da posição e da finalidade esta barreira pode ser fixa,
por exemplo, utilizando grades, ou móvel, tal como uma porta. As barreiras fixas são
apropriadas quando não há pouca ou nenhuma necessidade de acesso àquela area
quando a máquina está em operação normal. A frequência da necessidade de
acesso a uma determinada área de operação robô é que determina se a barreira
deve ser fixa ou móvel.
Caso seja necessário acesso à área de trabalho da máquina e a presença
humana nesta área represente risco à segurança, é preciso utilizar barreira de
proteção móvel, que pode ser aberta permitindo o acesso em uma condição segura.
Segundo a NR12, a proteção deverá ser móvel se houver a necessidade de acesso
à área de risco uma ou mais vezes por turno de trabalho (NR12). As proteções
móveis devem ser conectadas à dispositivos de intertravamento, portanto quando
abertas, implicam que a máquina deverá ter seu funcionamento limitado ou
interrompido quando em operação. É necessário garantir também que o fechamento
das proteções por si só não permita iniciar a operação até que haja condição segura.
(PILZ, 2012)
2.2.4 Cortinas de Luz
São equipamentos optoeletrônicos com unidades transmissoras e receptoras,
formando uma cortina de luz infravermelha, capazes de supervisionar a área
21
compreendida pela distância entre essas unidades. Se a área entre as unidades for
invadida, as saídas de sinal comutarão informando ao controlador a presença de
uma pessoa ou objeto. (WEG, 2013). Cortinas são ideais para aplicações nas quais
é necessário acesso fácil e frequente a um ponto de perigo de operação.
(ROCKWELL, 2013)
Figura 6 – Barreiras físicas e Cortina de Luz
Fonte: PILZ, 2012
2.2.5 Tapetes de Segurança
Tapetes de segurança são dispositivos utilizados para proteção humana em
áreas onde a operação de uma máquina possa oferecer riscos à segurança.
Consistem de duas placas de aço de correntes distintas, separadas por tiras
isolantes e atuadas por pressão. Quando o tapete é pisado, uma pressão é exercida
sobre a superfície do tapete, reduzindo à zero a resistência entre as placas de aço,
produzindo assim um sinal que será enviado ao controlador. (SCHEMERSAL, 2013).
Tapetes de segurança combinados com um controlador aumentam a
produtividade por proporcionar um acesso seguro, com menor tempo de parada por
não ser necessário configurar ou remover barreiras mecânicas durante operação ou
manutenção (RIA, 2013).
22
Na figura 7 são ilustrados tapetes de segurança ao redor de um robô.
Figura 7 – Tapetes de Segurança
Fonte:
2.2.6 Scanner de Área (Laser Scanner)
São dispositivos optoeletrônicos para proteção de pessoas ou equipamentos,
detectando objetos dentro do seu campo de detecção. A operação é baseada no
principio de reflexão de luz, emitindo pulsos de laser infravermelho em uma área de
até 190 graus, recebendo a luz refletida pelos objetos presentes dentro do campo
detector e processando o sinal da luz refletida para determinar posição e distância
do objeto. Quando um objeto é detectado, os scanners enviam um sinal de parada
para a máquina protegida.
Figura 8 – Scanner de Área e Detecção por Zonas
Fonte: PILZ, 2012
2.2.7 Chaves de parada de emergência
De acordo com a NR12 (12.56 a 12.63.1), as máquinas devem ser equipadas
com um ou mais dispositivos de parada de emergência, por meio dos quais possam
ser evitadas situações de perigo latentes e existentes. Estes devem estar localizados
23
em locais de fácil acesso e visualização e mantidos permanentemente
desobstruídos. Ainda, estes dispositivos devem prevalecer sobre todos os outros
comandos, ser mantidos sob monitoramento por meio de sistemas de segurança e
ser utilizados como medida auxiliar, não podendo ser alternativa às demais medidas
de proteção.
Uma chave de parada de emergência, quando acionada, deve também
resultar na retenção do acionador, de forma que o desacionamento seja possível
somente como resultado de uma ação manual intencionada (exemplo, girar para
liberar).
Figura 9 – Chaves de Parada de Emergência
Fonte: PILZ, 2012
2.2.8 Chaves de intertravamento
Existem basicamente dois tipos de chaves, mecânicas e magnéticas. O
primeiro tipo é baseado no contato de um atuador mecânico, normalmente uma
lingueta mecânica, fixada na barreira móvel, com o dispositivo, fixado na barreira
fixa. É de custo inferior ao segundo tipo, mas possui as desvantagens de exigir o
correto alinhamento entre as duas partes e é passível de desgaste. O segundo tipo,
é baseado em um ímã fixado na proteção móvel e o dispositivo na barreira fixa. Não
apresentam desgaste mecânico e apresentam uma exigência menor quanto ao
alinhamento. As chaves de intertravamento de segurança devem possuir contatos de
abertura-positiva, que são acionados quando uma barreira móvel é aberta. Com o
sistema de abertura positiva, mesmo que ocorra uma falha interna da chave, por
exemplo colagem de contato, a abertura do contato NF e o desligamento do circuito
conectado à chave será garantido. Desejavelmente também as chaves devem ser
dotadas de acionadores codificados para evitar que o sistema seja burlado.
24
2.2.9 CLP de Segurança
A NR12 prevê que os sistemas de segurança devem ser mantidos sob
vigilância automática de acordo com a categoria de segurança requerida. As
interfaces de segurança ou comandos elétricos classificados na NR12, são
dispositivos responsáveis por realizar o monitoramento, que verificam a interligação,
posição e funcionamento de outros dispositivos do sistema e impedem a ocorrência
de falha que provoque a perda da função de segurança. Tradicionalmente a
utilização de CLPs convencionais em sistemas de segurança, envolve redundâncias,
por exemplo, utilizando dois CLPs conectados à entradas e saídas também
redundantes, garantindo a execução de rotinas relacionadas à segurança, mesmo
em caso de falha de um dos CLPs, sensores ou atuadores. Evidentemente, a
utilização de equipamentos tradicionais redundantes requer softwares customizados,
exige maior tempo para desenvolvimento das soluções e ainda, exige espaço físico
adicional para equipamentos e fiações.
Há diferenças fundamentais entre CLPs de segurança e CLPs convencionais,
basicamente em termos de redundância interna, auto monitoramento e certificação.
Em teoria, um CLP convencional com relés externos poderia ser usado para
executar funções de segurança, porém estes circuitos de monitoramento não
poderiam ser certificados de acordo com uma categoria de segurança, logo não
seria reconhecido por uma organização certificadora quanto aos requisitos de
segurança.
A partir dos anos 90, os fabricantes passaram a desenvolver sistemas de
CLPs de modo a atender aos requisitos de segurança funcional baseados na IEC
61508. Enquanto a arquitetura de CLPs convencionais prevê um microprocessador,
unidade Flash, unidade RAM, entradas e saídas, os CLPs de segurança
proporcionam elevado grau de confiabilidade e segurança por meio de redundâncias
internas, com mais de um microprocessador, flash e RAM, que são continuamente
monitorados por um circuito watchdog.
Dependendo da aplicação necessária, podem ser encontrados no mercado
CLPs de segurança com redundância dupla, tripla ou até mesmo quádrupla. Em
relação à entradas e a saídas, CLPs convencionais não possuem meios de testá-las,
diferentemente dos CLPs de segurança, onde estes circuitos de entrada e saída
estão associados, permitindo detectar falhas durante o funcionamento do
25
equipamento, ou em etapas de verificação e detecção de problemas. As saídas
emitem pulsos com duração extremamente curta, que por sua vez são detectados
nas entradas como pulsos de testes, assim permitindo executar continuamente
rotinas de diagnósticos, diferenciando os pulsos de uma condição de falha, sem
provocar uma parada no sistema.
Nas figuras 10, 11 e 12, são apresentados digramas ilustrando a arquitetura
de CLPs de segurança, onde podem ser visualizadas a redundância de hardware,
auto teste das entradas e saídas e a redundância de processamento.
Figura 10 – Arquitetura de CLPs de Segurança - Redundância de Hardware
Fonte: Rockwell, 2013
Figura 11 – Arquitetura de CLPs de Segurança – Auto teste de entradas
Fonte: Rockwell, 2013
26
Figura 12 – Arquitetura de CLPs de Segurança – Redundância de Processamento
Fonte: Rockwell, 2013
Simplificadamente, as diferenças entre CLPs convencionais e de segurança
encontra-se na detecção de erros. Em relação às entradas e saídas, normalmente
não existem meios para detectar erros nas ligações, como conexões equivocadas,
curtos circuitos ou fios rompidos. Os CLPs de segurança são projetados para evitar
que falhas não sejam percebidas. Com diagnósticos por meio de hardware e
software, o equipamento possui mais de um processador executando o controle de
segurança. O sistema operacional e a aplicação de segurança são executados e
compiladas separadamente, de maneira que os resultados devem ser os mesmos.
Assim, na ocorrência de uma falha, esta será necessariamente detectada,
direcionando de maneira previsível o sistema para uma condição segura.
Quando há a necessidade de várias funções de segurança, ou com
considerável grau de complexidade, utilizando um alto número de dispositivos de
entradas e saídas, CLPs de segurança podem ser utilizados. Por possuírem meios
de comunicação através de redes de segurança, podem ser facilmente conectados
módulos de I/Os com classificação de segurança, permitindo arquiteturas
distribuídas e com número de fiações reduzido (em comparação aos sistemas
convencionais utilizando diversos relés de segurança). Além disso, se sinais
analógicos forem utilizados no sistema de segurança, CLPs de segurança são a
única opção.
Os CLPs de segurança de fabricantes como Rockwell, Siemens, Schneider,
são testados e certificados por organismos de certificação reconhecidos
internacionalmente, como a TÜV Group. Nos laboratórios destes organismos os
equipamentos são testados de modo a garantir que atendam aos requisitos
regionais e internacionais de acordo com a a IEC 61508 e respectivas atribuições de
27
nível de integridade de segurança (SIL – Safety Integrity Level), sendo SIL 3 o nível
mais alto para aplicações em máquinas (COLLINS, 2009).
O custo de um CLP de segurança é em torno de 25% a 30% maior se
comparado a um CLP convencional, no entanto permite uma economia considerável
quando comparado à utilização de CLPs convencionais em redundância.
Analogamente, se comparado à sistemas baseados em relés de segurança, um CLP
de segurança também implica em custos com cabos reduzido, além da proporcionar
maior flexibilidade (ROCKWELL, 2002).
A programação do CLP de segurança, é realizada de maneira muito similar à
programação de CLPs convencionais, podendo ser utilizadas qualquer uma das
linguagens padrão certificadas pela IEC 61131-1 (Programmable controllers - Part 3:
Programming languages). Todos os diagnósticos e verificações de erro são feitos
pelo sistema operacional, sendo portanto invisíveis para o programador. A maioria
dos CLPs de segurança possuem instruções especiais usadas para escrever o
programa para o sistema de segurança, por exemplo blocos de instruções
equivalentes à relés de segurança. Embora a lógica por trás das instruções seja
complexa, os programas de segurança podem ser desenvolvidos de maneira
relativamente simples. Um exemplo é a ferramenta de programação RSLogix Guard,
baseada em elementos gráficos, dispensando linguagens de programação mais
complexas, assim o programador pode projetar a lógica utilizando elementos pré-
definidos, tais como operadores AND, OR, funções numéricas, contadores e timers,
conectando entradas e saídas em uma interface “arrastar e soltar” utilizando o
mouse. (ROCKWELL, 2001)
Na maioria das indústrias, o controle padrão de equipamentos, normalmente
tem sido mantido de maneira isolada e independente dos controles de segurança,
utilizando CLPs convencionais para o controle do processo e CLP de segurança
para os controles críticos e segurança. Estes dois equipamentos podem interagir
entre si por meio de redes de segurança, reduzindo possíveis ambiguidades no
controle. Atualmente, é possível encontrar CLPs de segurança que possibilitam
implementar aplicações de controle e segurança de maneira integrada, combinando
controle padrão e o controle de segurança, otimizando a utilização de componentes
e ferramentas.
28
2.3 REDES DE SEGURANÇA
À medida que os requisitos de redes se estendiam aos componentes de
segurança, com as mesmas motivações que levaram as redes de comunicação para
os meios industriais (aumentar distâncias entre dispositivos, aumentar a flexibilidade
e reduzir custos) , foi impulsionado o desenvolvimento de redes industriais de
segurança, de modo que pudessem ser reduzidas as limitações dos sistemas de
segurança convencionais, os quais normalmente requeriam grande quantidade de
fios para cumprir funções de segurança, eram de difícil manutenção e difícil
expansão.
O conceito principal das redes de segurança, não foi o desenvolvimento de
redes que não falhassem, mas sim, a criação de um sistema onde as falhas na rede
pudessem ser detectadas e levassem os dispositivos de segurança a um estado
seguro, devendo portanto apresentar comportamento obrigatoriamente
determinístico, garantindo integridade na transmissão de dados. respeitando as
exigências normativas. o protocolo DeviceNet Safety, está em conformidade com a
IEC 61508 SIL3 para segurança funcional, e EN 954-1 Categoria 4 para segurança
de máquinas.
2.3.1 Protocolo CIP e CIP Safety
A tecnologia CIP (Common Industrial Protocol) tem como objetivo prover uma
camada de aplicação, de acordo com o modelo OSI, comum para diferentes redes,
como DeviceNet, ControlNet e Ethernet/IP, integrando o controle de entradas e
saídas, configuração de dispositivos e coleta de dados. A tecnologia CIP tem o
suporte da ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) e ControlNet International,
associações compostas pelas principais empresas mundias de automação. O
protocolo CIP foi projetado para ser expansível, permitindo que novos serviços,
como por exemplo CIP Safety, sejam adicionados, sem necessidade de reprojetar a
rede básica. (PELLIZER, 2007).
A visão de segurança costumava ser relacionada com redução de produção e
custos elevados devido à necessidade de redes distintas e independentes, porém
através de protocolos de rede, tal como DeviceNet Safety , é possível a coexistência
29
de sistemas de controle padrão e de segurança em um mesmo fio sem sacrificar a
produção e reduzindo custos e simplificando projetos. (ROCKWELL, 2006).
O protocolo CIP Safety, certificado para utilização em aplicações de
segurança, proporciona comunicação à prova de falhas entre nós, como E/S,
dispositivos de intertravamento, cortinas de luz e CLPs de segurança. Além de
proporcionar interoperabilidade entre diferentes fabricantes de dispositivos de
segurança através de redes que adotam o protocolo CIP, o maior benefício do CIP
Safety é a retro-compatibilidade, permitindo a integração de dispositivos de
segurança com dispositivos de controle padrão operando em uma mesma rede pré-
existente, dispensando investimentos em fiações adicionais ou equipamentos
específicos.
Devido às camadas de aplicação de segurança não dependerem da
integridade das camadas inferiores CIP padrão e das camadas de enlace de dados,
um único canal físico (não redundante) pode ser usado para a interface de
comunicação de enlace de dados. Esta divisão de funcionalidade permite que
roteadores padrão sejam usados para o roteamento dos dados de segurança. O
roteamento de mensagens de segurança é possível, porque o dispositivo final é
responsável por assegurar a integridade dos dados. Se ocorrer um erro na
transmissão de dados ou em um roteador intermediário, o dispositivo final detecta a
falha e toma a ação apropriada.
A primeira implementação do CIP Safety foi para redes DeviceNet, lançado
sob o nome de CIP Safety on DeviceNet, em 2005, oferecendo comunicação padrão
e de segurança em um mesmo cabo de rede DeviceNet.
Dispositivos de segurança utilizam CIP Safety, enquanto dispositivos de
controle padrão não, permitindo que tanto os dispositivos de controle e de segurança
coexistam no mesmo cabo de comunicação da rede.
Embora o CIP Safety on DeviceNet permita combinar protocolos de controle
padrão e de segurança em uma mesma arquitetura, há também a opção de
implementar um projeto com arquitetura separada, na qual as comunicações de
segurança e de controle padrão são isoladas fisicamente.
30
As figuras 13 e 14 apresentam as camadas do protocolo CIP e o roteamento
de dados entre redes baseadas no protocolo CIP. É possível perceber que as
camadas de segurança se baseiam nas camadas superiores, portanto a utilização
de um único canal físico, permitindo a integração de dispositivos de controle padrão
e dispositivos de segurança.
Figura 13 – Camadas CIP – Safety Layers
Fonte: ODVA, 2003
Figura 14 – Roteamento de Dados de Segurança
Fonte: ODVA, 2003
31
3 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
3.1 Robô para Montagem de Peças
Um trecho da linha de montagem deste caso, é ilustrado na figura 15, onde é
realizada a operação de montagem das portas de refrigeradores que possuem duas
portas, uma superior e outra inferior. Na esteira 1 são dispostos os gabinetes (10) na
posição horizontal, sem portas. Na posição 10a do gabinete, há uma dobradiça,
comum às duas portas. No final da esteira 1, os gabinetes são transferidos à esteira
2, e na posição dos operadores A e B, é feita a montagem, respectivamente, da
porta superior e da porta inferior. A porta inferior, montada primeiro, possui um
orifício (4) que recebe o pino (5a) da dobradiça (5) na posição 10a, portanto, o
operador deve dispor a porta logo acima do gabinete, encaixar o orifício no pino da
dobradiça e em seguida posicionar a porta, encaixando-a de maneira que as laterais
da porta fiquem alinhadas com as laterais do gabinete.
Figura 15 – Exemplo do layout de uma linha com montagem manual de portas
É possível perceber na figura 15, que há uma ferramenta auxiliar (3) para o
operador manipular as portas. A ferramenta é composta de um braço (3b) articulado,
sendo que na extremidade (3a) do braço, há um conjunto de garras de vácuo
32
(ventosas), acionadas pelo operador através de botões. Para utilizar a ferramenta, o
operador deve posicionar as garras de vácuo (desativadas) sobre a superfície
externa das portas, pressionar um botão para que as garras prendam-se à porta,
levantar a ferramenta a qual o braço está preso, e direcionar a porta na direção do
gabinete do refrigerador. No entanto, muitos dos operadores, não consideram esta
ferramenta prática, preferindo realizar a montagem de forma totalmente manual, o
que não é uma prática desejada do ponto de vista de ergonomia.
A figura 16 mostra em detalhe uma porta inferior e uma dobradiça com um
pino, a qual a porta será fixada.
Figura 16 – Porta Inferior de um produto a ser montado
Normalmente, em uma linha de montagem, são montados diferentes modelos
de produtos, portanto cada gabinete possui um par de portas correspondentes
específico. Além disso, na figura 15, todos os produtos apresentam a porta de menor
dimensão no lado do operador que realiza a montagem, logo a montagem de ambas
as portas está ao fácil alcance do operador, visto que a dobradiça fica a uma
distância aceitável do posto onde o operador se encontra. Caso a configuração de
algum produto apresente a porta inferior menor que a porta superior, a dobradiça
estará localizada a uma maior distância do operador A. Logo, mesmo com a
utilização da ferramenta, a montagem da porta será dificultada e sem auxílio da
ferramenta, será ergonomicamente impossível de ser realizada.
Nesta situação, a utilização de um robô poderia proporcionar uma série de
vantagens, entre elas:
- rapidez no processo de montagem;
- unificação dos 2 postos de montagem de portas;
- eliminação de 1 posto de trabalho com tarefas repetitivas;
- eliminação de um posto de trabalho sujeito à dificuldades ergonômicas;
33
No sistema proposto, o posto de montagem de portas é uma célula robótica,
composta por um robô de 6 graus de liberdade, com 3 armários (racks) dispostos em
um posições fixas determinadas, dentro da área de alcance do robô.
Baseado nas dimensões dos produtos, peso das peças e alcance do braço
robótico necessário para esta aplicação, a célula robótica será composta de um robô
da ABB, modelo IRB4400/L10, com capacidade para até 10kg, mostrado na figura
18. Na figura 18, também são ilustradas as trajetória e capacidade de alcance na
faixa de trabalho deste robô.
Figura 17 – Robô de 6 graus de liberade IRB 4400
Fonte: ABB - http://www.abb.com/productdetails/ABBQ3HAC1629-3
Cada um dos 3 armários (racks), visualizados na figura 21, possui dois
andares e são responsáveis por armazenar portas de até 3 diferentes modelos de
produtos, sendo que cada andar é destinado à uma das duas portas (inferior e
superior) utilizadas por cada modelo de produto. e disponibilizá-las sempre na
mesma orientação e posição. A tarefa de seleção e alimentação dos racks é
realizada por um operador, que deve inserir as portas em um slot disponível do rack
correspondente.
34
Uma das laterais dos armários, ilustrada na figura 19, deve estar disponível
para o operador, para que seja possível a colocação das portas nestes.
Figura 18 – Vista esquemática em corte longitudinal de um andar de um rack com slots para
inserção das portas
Na extremidada do rack, as portas são disponibilizadas para a garra do robô.
A medida que uma porta é retirada pelo robô, um sistema deslizante posiciona
novamente na extremidade do rack o próximo slot contendo uma porta.
Para permitir a identificação do modelo de cada produto, os gabinetes
possuem um código de barras, e através de um leitor de código de barras (figura 20)
localizado na esteira principal, é possível determinar qual modelo está na esteira e
quais os modelos de portas que devem ser montados.
As portas, superiores e inferiores, respectivas à cada modelo de produto,
deverão ser organizadas em racks específicos, de acordo com a disposição a ser
definida durante a programação do robô, sendo portanto classificadas e
devidamente inseridas no rack correspondente por um operador.
35
Figura 19 - Leitor de codigo de barras
Fonte: SICK, 2013
3.2 Segurança em uma Célula Robótica para Montagem de Peças
Inicialmente, foram determinadas os tipos de barreiras físicas necessárias e
as dimensões adequadas, com base no anexo I da NR 12 (figura 4 e tabela 1). Na
área da célula robótica, ao redor do robô, é necessário a presença de proteções
fixas e móveis. As distâncias para instalação destas proteções e devem ser
calculadas de acordo com o anexo I da NR12.
Considerando a utilização de um robô ABB 4400 L10 (figura 18) sendo
instalado com um efetuador (garras de vácuo) de 300mm, obtem-se o valor da altura
máxima de 2750mm. Com base no anexo I da NR12, alcance sobre estruturas de
proteção (figura 4 e tabela 1), dentro da área de trabalho do robô a situação mais
crítica é considerando a altura da zona de perigo de 1400mm com uma distância
horizontal de 800mm. Portanto a altura da estrutura de proteção “B1” (fig. 21),
devem ser de no mínimo 1800mm. As barreiras físicas deverão ser instaladas de
modo a permanecerem devidamente fixadas com estabilidade e serem construídas a
partir de materiais adequados, com resistência mecânica de modo a conter a
eventual projeção de peças lançadas a partir da célula robótica.
Segundo a NR12, a proteção deverá ser móvel se houver a necessidade de
acesso à área de risco uma ou mais vezes por turno de trabalho, portanto será
utilizada uma barreira física móvel (porta) para acesso à área de trabalho da célula
robótica. Conforme itens 12.41 e 12.45 da NR12, deve-se associar à barreiras
móveis um dispositivo de intertravamento sendo que o robô deve operar somente
quando as proteções estiverem fechadas, paralisando suas funções perigosas
36
quando as proteções forem abertas durante a operação e garantindo que o
fechamento das proteções por si só não possa dar inicio às funções perigosas.
Para a barreira móvel, deverá ser prevista uma chave de segurança, que
atenda à categoria de segurança nível 4, isto é, deve apresentar redundância. Nesta
célula, optou-se por utilizar chaves magnéticas do fabricante Rockwell, modelo MC1,
conectadas à um CLP de segurança.
Na figura 21, é ilustrado uma proposta de layout para uma célula robótica,
onde podem ser visualizados alguns dos dispositivos de segurança para esta
aplicação. São consideradas duas barreiras físicas, uma (B1) atrás da esteira e
outra, no lado oposto, iniciando próxima aos racks em direção ao painel.
Figura 20 – Célula robótica com dispositivos de segurança
37
Uma porta é prevista e é dotada de uma chave magnética de intertravamento,
ilustrada na figura 22.
Figura 21 - Chave sem contato MC1 com intertravamento de canal duplo Rockwell
Fonte: Rockwell, 2013
Seguindo a determinação da categoria de segurança, de acordo com a figura
23, estabelecida na NBR 14153, deve ser avaliado o risco quanto à gravidade da
lesão, frequência e tempo de exposição ao perigo e à possibilidade de evitar o
perigo. O primeiro critério a ser avaliado é a gravidade da lesão, portanto
considerando o robô ABB 4400 L10, uma colisão com um trabalhador pode ser
provocada pelos rápidos movimentos do braço do robô, podendo resultar em lesões
graves.
Em relação à frequência de exposição, as pessoas que circulam na área do
robô e são responsáveis por operá-lo, estão em constante exposição aos riscos
decorrentes da movimentação dos braços robóticos e peças.
Como a operação do robô depende da operação de outros pontos da linha de
montagem, não é possível precisar o exato momento do início do movimento. Além
do robô operar em uma área grande, ele é dotado de muita energia e velocidade em
seus movimentos, portanto considera-se que a possibilidade de evitar o perigo é
baixa.
38
Figura 22 – Determinação da Categoria de Segurança
Fonte: Adaptado da NBR 14153
Para o projeto de acordo com a categoria requerida de segurança, neste
caso, categoria 4, todos os componentes do sistema de segurança, desde os
sensores até os atuadores devem atender à categoria 4. Conforme a NBR 14513, a
categoria 4 determina que uma falha isolada ou um acúmulo de falhas não irá levar
à perda da função de segurança e portanto a função principal de segurança deve ser
dotada de redundância e auto teste.
O painel de controle do operador deve estar localizados fora da célula
robótica e possuir quatro botões: um de parada, um de início, um de parada de
emergência e um botão de reset. De acordo com o item 12.40 da NR12, para iniciar
a operação do robô, ou reiniciar após uma parada de emergência, é obrigatório o
acionamento de um botão de RESET.
12.40. Os sistemas de segurança, de acordo com a categoria de segurança
requerida, devem exigir rearme, ou reset manual, após a correção da falha ou
situação anormal de trabalho que provocou a paralisação da máquina.
Para a utilização de detectores de presença optoeletrônicos a NR12 deve ser
seguido o anexo I item B, cálculo das distâncias mínimas de segurança para
instalação de detectores de presença optoeletrônicos.
A distância mínima na qual os equipamentos de proteção individual
eletrosensiveis (ESPS) usando cortina de luz devem ser posicionados em relação à
39
zona de perigo, deverá observar o calculo mostrado na figura 24 e apresentado no
item B do anexo I da NR12, de acordo a norma ISO 13855. ,
Figura 23 – Cálculo da Distância de Instalação de Cortinas de Luz
Fonte: LEUZE, 2013
S é a mínima distância em milímetros, da zona de perigo até o ponto, linha ou
plano de detecção, K é um parâmetro em milímetros por segundo derivado dos
dados de velocidade de aproximação do corpo ou partes do corpo e tem origem na
norma européia EN-999. Para S >500mm adota-se a velocidade de aproximação do
corpo movimentando-se em uma direção de K = 1600m/s.
T é a performance de parada de todo o sistema dado em segundos. O tempo
de parada do robô ABB4400 é de 0,48 segundos.
C é a distância adicional em milímetros, baseada na intrusão contra a zona de
perigo antes da atuação do dispositivo de proteção. Para uma resolução da cortina
<30mm (detecção de mão em uma cortina vertical) C = 240mm.
Desta forma, a distância mínima que a cortina de luz deve ser posicionada até
a zona de perigo deve ser de 1008mm.
Tipicamente, cortinas de luz são utilizadas de maneira que se uma pessoa ou
algum objeto interromper os feixes, o sistema é desligado. Porém, esse
desligamento do sistema deve ocorrer de maneira segura e se necessário, seguindo
uma sequência ordenada de ações.
Como o robô deve segurar, movimentar e montar portas de um produto em
uma área próxima a pessoas, é preciso garantir que em uma situação, por exemplo,
da detecção de uma pessoa cruzando a cortina de luz, o robô pare o movimento, ou
40
diminua a velocidade e limite a área de trabalho, sem que haja o completo
desligamento do sistema, que resultaria na peça sendo liberada das garras de
vácuo, oferecendo riscos à segurança humana, além de poder danificar a peça.
Este é um caso onde a utilização de um CLP de segurança é apropriada, uma
vez que o sistema não pode ser simplesmente desligado instantaneamente.
Conforme a análise de risco, verifica-se também que um CLP de segurança, por
possuir redundância de processamento de dados, memória e possuir meios para
testar entradas e saídas continuamente, atende a categoria 4 de segurança. A
maioria dos sistemas poderia ser projetada com CLPs convencionais em
redundância, ou relés de segurança e dispositivos de intertravamento. A integração
de outros vários dispositivos de segurança através do CLP de segurança pode ser
utilizada para seletivamente determinar as ações mais apropriadas para garantir a
segurança humana, sem prejudicar a produtividade.
Foi determinado o CLP de segurança modelo GuardPLC 1600 da Rockwell,
que possui 28 entradas e saídas de segurança, mas caso seja necessário um
número maior de E/S, módulos distribuídos de E/S podem ser conectados e se
comunicar em uma rede de comunicações Ethernet Segura (GuardPLC Ethernet).
O GuardPLC 1600 (Anexo A), pode ser programado utilizando blocos lógicos
apresentados no Anexo D. Neste anexo são ilustrados exemplos de diagramas de
conexão dos dispositivos de segurança com o CLP de segurança, diagramas de
temporização de auto teste e os principais blocos lógicos utilizados.
Além disso, considerando que outras etapas de montagem nesta mesma linha
de produção apresentam o potencial de serem automatizadas e realizadas através
de robôs, a possibilidade de expansão dos dispositivos de segurança, complexidade
de software e tempo de desenvolvimento para alcançar os mesmos resultados,
tornam o custo de sistemas com relés convencionais praticamente proibitivo se
comparado à utilização de um CLP de segurança. (PLC…, 2013)
Caso seja desejado expandir o número de robôs, é necessário aumentar
também o número de dispositivos de segurança, (sensores, cortinas, tapetes, etc).
Uma vez que foi considerado a utilização de um CLP de segurança, esta expansão
pode ser feita por meio de alterações consideravelmente simples de software e da
instalação destes dispositivos sensores, conectados diretamente ao CLP de
segurança existente ou de módulos de E/S conectados por meio de uma rede
41
segura. Exemplos de esquemas de conexão de CLP de segurança com módulos
I/Os distribuídos são ilustrados no anexo B.
42
4 CONCLUSÃO
A máquina vem substituindo o trabalho humano, aumentando em
funcionalidade e complexidade, consequentemente as legislações de proteção dos
trabalhadores tem se tornado mais rigorosas., uma vez que o risco de acidentes
também aumentou. A NR12 permite estabelecer metodologias para evitar que o
trabalhador seja exposto aos riscos envolvidos do trabalho em ambientes com
máquinas, neste caso específico, aos riscos decorrentes das operações efetuadas
por um robô. A norma define os requisitos básicos para garantir a integridade física
dos trabalhadores nestes ambientes, no entanto é preciso entender que não existe
risco zero. Existe um número muito grande de soluções e fabricantes, sendo
possível definir várias soluções diferentes que atendam às exigências normativas.
Ainda, vale ressaltar a NR12 prevê em seu escopo a necessidade de que os
trabalhadores envolvidos na operação de máquinas recebam cursos de capacitação
antes de assumir a sua função.
A legislação e o mercado tem estimulado a evolução dos equipamentos de
segurança, que permitem aumentar a produtividade sem prejuízo da segurança. A
utilização de um CLP de segurança como interface de monitoramento é viável e
especialmente vantajosa por este atender à categoria de segurança 4 e poder ser
certificado de acordo com esta. Também podem ser destacadas vantagens
considerando a necessidade de expandir os sistemas de segurança, devido ao
potencial de expansão na quantidade de máquinas, sem a necessidade de reprojetar
todo o sistema, visando aumentar a produtividade de uma linha de montagem e
garantir a redução de riscos de acidentes do trabalho.
Após a finalização do estudo percebeu-se que a correta seleção e instalação
dos dispositivos elétricos de segurança em uma máquina, influencia diretamente no
correto atendimento às exigências normativas de modo a assegurar tanto a
segurança dos trabalhadores, como a produtividade da linha de produção. O uso de
CLPs de segurança simplifica as instalações proporcionando mais facilidade de
configuração e flexibilidade através a modularidade das soluções, através da
utilização de redes de segurança.
43
REFERÊNCIAS
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ANEXO A – Linha de produtos GuardPLC – Rockwell.
Fonte: Rockwell, 2013
48
ANEXO B – Exemplos de CLP de segurança com módulos distribuídos.
Fonte: Rockwell, 2013
Fonte: Panasonic, 2013
49
ANEXO C- Folha de Especificações Robô ABB4400
Fonte: ABB, 2010
50
ANEXO D – Blocos lógicos do GuardPLC e Diagramas de Temporização
Fonte: Rockwell, 2007
Fonte: Adaptado de: Rockwell, 2007 / ABB, 2010
51
Fonte: Adaptado de: Rockwell, 2007
52
Fonte: Adaptado de: Rockwell, 2007
53
Fonte: Adaptado de: Rockwell, 2007
